DE2835800A1 - Separator-elektroden-einheit fuer elektrolytische zellen, zur einheit gehoeriger separator, verfahren zum zusammenbau der einheit und mit ihr versehene zelle - Google Patents

Description

"Separator-Elektroden-Einheit für elektrolytische Zellen, zur üiiriheit gehöriger Separator, Verfahren zum Zusammenbau der Einheit und mit ihr versehene Zelle"

beanspruchte Priorität:

16. August 1977 - V.St.A. - Nr. 824 999

Die Erfindung betrifft eine Elektroden-Separator-Kombinationseinheit zur Verwendung in einer elektrolytischen Zelle gemäs dem Oberbegriff von Anspruch 1. " \

Für die Erzeugung von Halogengasen und Alkalimetallhydroxide^ z.B. kaustischem Soda, in elektrolytischen Zellen vom "Diaphragmatyp" sind jetzt Werkstoffe mit selektiven ionenaustauscheigenschaften zur Verwendung als Anolyt-Katholyt-Trennmemfaranen erhältlich, die es ermöglichen/ Lösungen mit einer

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relativ hohen Konzentration an Älkalimete.1 !hydroxiden im Vergleich zu Asbestfaser-Diaphragmotyp-Zellen, die z.Zt. vorherrschende Verwendung finden, herzustellen. Die Herstellung dieser konzentrierten Lösungen in handelsüblichen " Diaphragma typ"-elektrolytischen Zellen, die gegenwärtig erhältlich sind, fordert jedoch hohe Zellspannungen und ergibt beim Betrieb der Zellen erhöhte Energiekosten. Mit "Diaphragmatyp" ist eine elektrolytische Zelle gemeint, die den Elektrolyten durch einen durchlässigen oder halbdurchlässigen Separatorwerkstoff getrennt in Anolyt und Katholyt aufweist, um wenigstens die Menge Halogen in dem Alkalimetallhydroxid-Auslaßstrom zu verringern.

Mit "Membrantyp" ist eine elektrolytische Zelle gemeint, die den Elektrolyten durch einen Ionenaustausch-Separatorwerkstoff, vorzugsweise eine kationdurchlässige Zusammensetzung wie ein Perf luorcarbon-Polymerisat mit eingebauten "·

sulfonischen Gruppen, wie es von der DuPont Corporation unter

(R)
dem Warenzeichen Naf ion-"' (Kationaustauscher auf der Basis von perfluorsulfoniertem Polytetrafluoräthylen) vertrieben wird , in Anolyt und Katholyt getrennt, aufweist.

Es ist gegenwärtig üblich, die Membrane an der Kathode anzuordnen, so daß wenig oder kein Raum zwischen der Membrane und der Kathode besteht, obwohl diese Anordnung sogar die Freisetzung von an der Kathode gebildeten Hydrogenblasen hindert bzw. verhindert.

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Dieser historische Trend hin zur Verwendung von k.athodenumgebenden Membranen ist größtenteils^ ein Ergebnis der Vakuum- bzw. Untardruck-Sedimentationsverfahren, die zur Anordnung von Asbestfaserdiaphragmen an Kathoden üblicherweise verwendet wurden und wobei der normale Fluß des Elektrolyten vom Anolyt zum Katholyt ist. Die Anordnung an der Anode würde vom Diaphragma erfordern, zug- oder ballonbildenden Kräften, die vom herkömmlichen Fluß verursacht ■werden_; zu widerstehen. Mit dem Erscheinen bzw. Bekanntwerden von textilerzeugnisartigen Membranen und fester zusammenhängenden Diaphragmen wurde entdeckt, daß es jetzt möglich ist/sowohl die Anode als auch die Kathode zu umhüllen.

In der US-PS 3 984 303 ist eine Zelle mit einer Reihe von einzelnen Einheiten beschrieben, in denen eine hohlzylindrische Kathode konzentrisch um" eine hohlzylindrische Anoae angeordnet ist. Die Anode weist eine röhrenartige ionendurchlässige Membrane auf, die ihre äussere Oberfläche bedeckt. Wenn man die Membrane von der Kathode entfernt, sind die konzentrischen Elektroden in der Größe begrenzt, teuer herzustellen, und der Zellbetrieb würde hohe Energiekosten verursachen. Darüber hinaus verschwendet ein derartiger Aufbau im Vergleich mit ebenen zwischengeschachtelten Anoden und Kathoden Raum, da nur eine Seite der Anoden und Kathoden verwendet wird, im Gegensatz zu beiden Seiten in einer zwischengeschachtelten

Es
ebenen Elektrodenanordnung./Besteht ein Erfordernis für einen Zellaufbau, der die Verwendung günstiger Aspekte beider Konstruktionen erlaubt. Jedoch scheint die ebene Konstruktion

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Membranen mit einem komplexen handschuhartigen Aufbau zu erfordern, obwohl sie weitgehend an Zellstrukturen, die früher unter Druck abgelagerte Diaphragmen verwendeten, angepaßt sind.

Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Elektroden-Separator-Kombiriationseinheit für eine mit herkömmlichen Diaphragmatyp-Zelleinrichtungen aufbaubare Membranzelle mit verbesserter Wasserstofffreisetzung und hoher Reparaturfreundlichkeit zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist nach der Erfindung eine gattungsgemäße kombinierte Elektroden-Separator-Einheit so aufgebaut, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben.

Die Erfindung betrifft auch einen zur Einheit gehörenden Separator, ein Verfahren zum Zusammenbau der Einheit und eine mit der Einheit versehene Zelle.

Die erfindungsgemäße kombinierte Elektroden-Separator-Einheit ermöglicht die Produktion konzentrierter Alkalimetallhydroxidlösungen bei verringerten Energiekosten. Bei einer Membranzelle kann der Raum zwischen der Kathode und der Membrane bei verringerter Zellspannung vergrößert werden. Die Anode kann durch eine Abstandseinrichtung, die Kontakt zwischen den elektrochemisch aktiven Bereichen der Anoden und.der Membrane verhindert, im Abstand von der Membrane gehalten werden. Auch kann der Separator, ohne daß es erforderlich ist, den gesamten Separator von bzw. aus der Zelle zu entfernen, leichter repariert werden.

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Auch diese Vorteile kennzeichnen dor Erfindung zugrundeliegende v/esent] iciie Auf gabenelemente.

Die Erfindung schafft dafür eine kombinierte Elektronen.-Separator-Einheit zur Verwendung in einer elektrolytischen Zelle _f äi_e eine_n Elektrolyten und vielfache ebene zwischengeschach-

aufweistf

telte Elektroden / die durch ebene poröse Elektrodenexnrichtungen gekennzeichnet ist, von denen eine einen elektri-

sehen Strom vom Elektrolyten aufnimmt und eine einen elektrischen Strom zum Elektrolyten überträgt; durch eine Mehrzahl von Trenneinrichtungen, die entlang benachbarter Ränder gesiegelt sind und einzeln jede der Elektrodeneinrichtungen umschließen· und mindestens ein Loch durcn die Trenneinrichtung haben,um die Elektrodeneinrichtungen von einem Bereich des Elektrolyten zu trennen, wobei mindestens Kationen durch das Loch gehen können;

und durch elektrische Leitereinrichtungen, die durch die Löcher gehen und in Kontakt mit den umschlossenen'"Elektrodeneinrichtungen stehen, von denen einer einen elektrischen Strom aufnimmt und einen elektrischen Strom zur Elektrodeneinrichtung überträgt.

Unter einem anderen Aspekt sieht die Erfindung eine elektrolytische Zelle vor mit

einem Zellgehäuse zur Begrenzung einer einen Elektrolyten enthaltenden Kammer;

einer Mehrzahl erster elektrischer Leiter, die durch das Gehäuse gehen und eine äußere Oberfläche haben; einer Mehrzahl erster ebener paralleler, innerhalb der Kammer angeordneter Elektroden mit einer bestimmten Polarität, wobei

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die ersten Elektroden in elektrischem Flächenkontakt mit dem Elektrolyten und in elektrischem Kontakt mit mindestens einem der Leiter stehen;

einer Mehrzahl zweiter elektrischer Leiter, die durch das Gehäuse gehen und von der ersten Mehrzahl elektrischer Leiter in einem Abstand angeordnet sind;

einer Mehrzahl zweiter ebener paralleler, innerhalb des Zellkörpers angeordneter Elektroden entgegengesetzter Polarität zu den ersten Elektroden, die abwechselnd in einar beabstandeten parallelen Beziehung mit den ersten Elektroden zwischengeschachtelt sind und in elektrischem Flächenkontakt mit dem Elektrolyten und elektrischem Kontakt mit wenigstens einem der zweiten Leiter stehen;

einer Mehrzahl erster Trenneinrichtungen, die zur Trennung der Kammer in eine Mehrzahl unabhängiger Kammern innerhalb und unmittelbar um jede der ersten Elektroden herum und in eine einzelne gemeinsame Kammer innerhalb und unmittelbar um alle zweiten Elektroden herum jede der ersten Elektroden einzeln einkapseln, wobei die Trenneinrichtungen mindestens ionendurchlässig sind, mit Bereichen, die mindestens eine erste Perforation zur Durchführung von mindestens einem der ersten Leiter durch die Trenneinrichtungen zur ersten Elektrodeneinrichtung begrenzen, mit mindestens einer zweiten Perforation zur Durchführung des Versorgungsfluids in die einzelne Kammer und iriit mindestens einer dritten Perforation zur Durchführung des' Erzeugnisf luids aus der einzelnen Kammer; und einer Abdichteinrichtung zur Verhinderung von Fluidkommunikation durch die Perforation zwischen zwei einzelnen

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Kammern und der gemeinsamen Kamraer, während die Durchführung der ersten Leiter, des Versorgungsfluids und Erzeugnisfluids dadurch möglich ist.

Unter einem noch anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Verfeihren zum Zusammenbau einer kombinierten Elektroden-Separator-Einheit für elektrolytische Zellen vor, die zwischengeschachtelte, parallele ebene Kathoden und Anoden aufweisen, das durch die Schritte gekennzeichnet ist, daß eine Elektrode mit einer Schicht Separatormaterial zur Erzeugung einer ersten Elektrolytkammer innerhalb der Schicht bzw. innerhalb der Umhüllung eingekapselt wird und eine Durchführung eines elektrischen Leiters, einer Versorgungsfluidieitung und einer Erzeugnisfluidleitung durch die Schicht in die geschaffene erste Elektrolytkammer vorgesehen wird.

Unter einem noch anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau einer kombinierten Elektroden-Separator-Einheit mit Leiterpfosten, Fluideinlaß= und -auslaßleitungen für eine elektrolytische Zelle vor, die durch die Schritte gekennzeichnet ist, daß

eine Separatorfolie auf eine Größe zugeschnitten wird, die zur Umgebung einer Elektrode mit der Möglichkeit der Siegelung der Ränder der Folie ausreicht;

Löcher an vorbestimmten Stellen in der Separatorfolie perforiert werden;
jeder der Leiterpfosten und der Fluideinlaß-und Auslaßleitungen

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in vorbestimmte Löcher der Folie eingebaut werden; die Folie zur Erzeugung zweier im Abstand angeordneter Tafeln, die auf entgegengesetzten Seiten der Elektrode liegen, über der Elektrode gefaltet wird;

und die Tafeln entlang dreier Ränder jeder der Tafeln zur Bildung einer geschlossenen Separatorumhüllung mit der Elektrode im - Innern zusammengesiegelt v/erden. '.

Unter einem noch anderen Aspekt sieht die Erfindung einen

vor Separator für eine elektrolytische Zelle/i die eine Mehrzahl paralleler zwischengeschachtelter ebener Elektroden, Fluidauslaß- und -einlaßröhren, elektrischer Leiter, die zu den Elektroden führen»und zu iedem der Leiter und Röhren gehörenden

v?eist,
Abdichteinricntungen auf-/der durch ein Paar paralleler, ebener Folien aus Separatormaterial gekennzeichnet ist, die entlang, benachbarter erster Ränder---durch einen U-förmigen Bereich des trennenden Materials und entlang dreier anderer restlicher benachbarter Ränder durch heißversiegelte Bereiche verbunden sind, wobei der U-förmige Bereich eine Perforation an jeder von mindestens drei einzelnen vorbestimmten Stellen aufweist, von denen jede Perforation zur Aufnahme einer der Röhren und Leiter geeignet ist.

Unter einem abschließenden Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Austausch eines fehlerhaften Bereichs einer Separatoreinrichtung von einer diaphragmatyp-elektrolytischen Zelle vor, die ebene eingeschachtelte Elektroden aufweist,'' wobei alle Kathoden

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von allen Anoden durch die Sepaiucc-i. einrichtung geL.r das durch die Schritte gekennzeichnet ist, daß eine Elektrode, die vom fehlerhaften Bereich einzeln umschlossen ist, aus der Zelle entfernt wird, während alle anderen Elektroden und fehlerfreien Bereiche des Separators intakt gelassen werden; und

daß die Elektrode und der umgebende Bereich als eine Einheit durch einen entsprechenden fehlerfreien Bereich und eine umschlossene Elektrode als eine Einheit ausgetauscht werden.

Durch die Erfindung wird eine kombinierte Elektroden-Separator-Einheit zur Verwendung in einer elektrolytischen Zelle mit flachen zwischengeschachtelten Elektroden und ein Verfahren zum Zusammenbau einer derartigen Einheit geschaffen. Hierbei sind Elektroden in einer geschlossenen Umhüllung aus Separatormaterial zur Bildung einzelner elektrolytischer Kammern für sich umschlossen. Der Separator kann perforiert sein_y und elektrische Leiter, Fluidversorgungsleitungen und Fluidauslaßleitungen können dichtend durch die Öffnungen geführt sein, um die Zufuhr von Ausgangsmaterialien zu den umschlossenen Elektroden und die. Entnahme von Produkten davon zu ermöglichen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand teilweise schematischer Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Membranzelle;

Fig. 2 eine Teilansicht eines horizontalen Querschnitts einer Anodenanordnung entlang den Linien 2-2 von Fig. 1;

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Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt entlang den LinfcLörP IKJ von Fig. 2, der des weiteren eine erfindungsgemäße Anodenanordnung zeigt;

Fig. 4 bis 6 Draufsichten auf verschiedene Stufen bei der Anordnung bzw. dem Zusammenbau eines erfindungsgemäßen Separators;

Fig. 7 bis 10 Seitenansichten, die die Anordnung einer den

Separator von Fig. 6 verwendenden Anoden-Separator-Einheit darstellt;

Fig. 11 einen vergrößerten Querschnitt des Bereichs 11 von Fig. 2, der eine bevorzugte Abdichteinrichtung der Erfindung zeigt;,

Fig. 12 eine perspektivische Seitenansicht mit einer Mehrzahl Anoden-Separator-Einheiten_f die an einer Anodenrückplatte befestigt sind;

Fig. 13 einen horizontalen Querschnitt entlang den Linien 13-

13 von Fig. 1, der eine bevorzugte Relation von Kathoden und Anoden innerhalb der elektrolytischen Zelle von Fig. 1 zeigt; und

Fig. 14 einen teilweisen horizontalen Querschnitt einer anderen Äusführungsform einer erfindungsgemäßen Anoden-Separator-Einheit entlang den Linien 13-13 von Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine elektrolytische Zelle 10 zu sehen, die eine Abstützeinrichtung 11/ ein Gehäuse 12, einen Anolyteinlaß 14, einen Katholyteinlaß 16, einen Anolytauslaß 18, einen Katholyt-

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flüssigkeitsauslaß 20, einen Katholytgasciuslaß 22, eine Anodenanordnung 24 und eine Kathodenanordnung 26 aufweist. Das Gehäuse 12 weist einen Körperbereich 28 auf, eine Anodenrückplatte 30, eine Anodenrückplattendichtung 31, eine Kathodenrückplatte 32 und eine Kathodenrückplattendichtung 33. Der Körper 28 kann eine röhrenförmige metallische Einheit mit Flanschen 34 und 35 sein, die an seinen entsprechenden Enden befestigt sind. Die Flansche 34 und 35 sind zur Aufnahme der Kathodenrückplatte 32 bzw. der Anodenrückplatte 30 geeignet. Die Rückplatten 30 und 32 können Metallscheiben sein, die an den Flanschen 35 bzw. 34 mittels Bolzen 36 oder irgendwelcher anderer entfernbarer Befestigungsmittel befestigt sind. Die Dichtungen 31 und 33 können zwischen der Rückplatte 30 und dem Körper 28 bzw. der Rückplatte 32 und dem Körper 28 zwischengeschaltet sein, um im Gehäuse 12 eine elektrolytische Kammei dichtend zu umschließen und zu begrenzen. Das Gehäuse 12 ist wie nachfolgend beschrieben mit geeigneten öffnungen versehen, um die Zuführung bzw. den Eintritt von Rohmaterialien in die darin definierte elektrolytische Kammer und die Entfernung von Produkten daraus zu ermöglichen.

Der Anolyteinlaß 14 weist einen Salzlösungszufuhrsammler 38 bzw. Verteiler und ein Salzlösungszufuhr-Verbindungsstück 40 für Zwecke, die nachfolgend beschrieben sind, auf. Der Katholytflüssigkeitsauslaß 20 ist mit dem Boden des Körpers 28 verbunden, um das Entfernen des Katholyten wie unten beschrieben zu ermöglichen. Der Anolytauslaß 18 weist einen Sammler 42 bzw. Verteiler für Chlorgas- und verbrauchte Salzlösung und ein

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Auslaßverbindungsstück 44 für verbrauchte Salzlösung auf, die nachfolgend im einzelnen beschrieben werden. Der Katholyteinlaß 16 ist mit einem oberen Bereich des Körpers 28 verbunden, um die Zufuhr von Katholytflüssigkeit zum Inneren der Zelle 10 zu ermöglichen. Diese Anordnung sieht einen Abwärtsfluß des Katholyten durch die Zelle 10 zum Katholytflüssigkeitsauslaß 20 vor. Am bzw. auf dem Oberteil des Zellkörpers 28 ist auch ein Katholytgasauslaß 22 vorgesehen, der zu einer Wasserstoff-Entnahmeröhre 46 führt. Wie unten beschrieben/ ermöglicht der Auslaß 22 die Entnahme von Gasen von den Kathoden benachbarten Bereichen innerhalb der Zelle 10.

Leiterstäbe 48 und 49 von Anodenanordnungen 24 bzw. von Kathoden (nicht gezeigt) sind in herkömmlicher Weise mit einer externen Gleichstromenergiequelle (nicht gezeigt) verbunden, um einen elektrischen Strom durch die Zelle 10 vorzusehen.

Die Anodenrückplatte 30 und die Kathodenrückplatte 32 sind mit Ansätzen 37 bzw. Nasen versehen, um die Zelle 10 anheben oder in anderer Weise bewegen zu können und die Entfernung der Rückplatten 30 und 32 vom Zellkörper 28 zu erleichtern. An den Rückplatten 30 und 32 sind auch Abstützflansche 11a befestigt, die auf Isolatoren 11b ruhen, die wiederum auf einem Fundament 11c aufsitzen, um die Zelle 10 abzustützen. Die Plansche 11a> die Isolatoren 11b und das Fundament 11c bilden zusammen die Abstützeinrichtung 11.

Die Konstruktion und der Aufbau der Anodenanordnung 24 ist am

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besten in Fig. 2 und 3 zu sehen und weist Anodenleiter 48, ein Sieb bzw. Maschengewebe 50, eine Membrane 52, eine Salzlösungszufuhrröhre 54 und eine Anolytauslaßröhre 56 auf. Wahlweise kann ein Distanzstück 51, das das Sieb 50 von der Membrane 52 trennt,vorgesehen sein. Das Sieb 50 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, das mit den Leitern 48 in herkömmlicher Art_; um einen Stromfluß dazwischen zu ermöglichen, verbunden ist. Vorzugsweise kann das Sieb 50 eine U-förmige ebene poröse Struktur aufweisen, die eine Anolyt-

kammer 72 w-Rscn ließt, oder kann jeden anderen geeigneten Aufbau aufweisen, Z₀B, eine schutzgitter- bzw. lattenzaunartige oder mit Haube versehene Elektrode^, und kann mit oder ohne innerer Gasprall- bzw. Umlenkblecheinrichtung sein.

Das Sieb 50 wird durch di<s Leiter 48 abgestützt, die wiederum an der Anodenrückplatte 30 mittels Festklemm-, Konter- bzw. Vielkantmuttern 58 (jamb nuts), die auf die Leiter 48 geschraubt sind, befestigt sind.Die Röhre 56 kann von bzw. aus dem oberen Ende

<3es Siebs 50 horizontal hervorstehen oder in anderer Art angeordnet sein, um den Fluß von
Gasen und Flüssigkeiten aus der Kammer 72 xn den Sammler 42 vorzusehen. Die Röhre 56 ist am Sieb 50 angeschweißt oder auf andere Weise befestigt und geht durch geeignete unten beschriebene öffnungen in der Membrane 52. Die Membrane 52, deren Aufbau weiter unten beschrieben wird, umgibt das Sieb 50. Die Membrane 52 dient dazu, Anionen, wie Chlorionen, innerhalb der Kammer 52 aufzunehmen bzw. einzuschließen, während der Durchgang von Kationen in den kationischen Bereich der Zelle 10 möglich ist. Der Sammler 42 weist eine Seitenwand auf,eine Seitenwandauskleidung bzw. Fütterung 79, eine Endwand

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eine Endwandauskleidung 31,eine obere Wand 82,eine obere Xiandauskleidung 85, eine Bodenwandauskleidung 83 und eine Bodenwanci

Der Sammler 42 ist im allgemeinen horizontal angeordnet und dient dazu_/jede der Anolytauslaßröhren 56 mit dem Auslaßverbindungsstück 44 der verbrauchten Salzlösung zu verbinden. Die Ausfütterungen 79, 81, 83 und 85 dienen zum Schutz der Wände 78, 80, 84 bzw. 82 vor durch Chlor bzw. Chlorgas oder andere

ausführen, Produkte, die aus der Röhre 56 her-/ , verursachten Korrosionen.

Der einzelne Aufbau des Sammlers 42 kann verschieden sein, solange er dazu dient,jede Röhre 56 mit dem Auslaßverbindungsstück 44 zu verbinden.

In ähnlicher Weise ist zur Verbindung des Salzlösungszufuhrverbindungsstücks 40 mit jeder Salzlösungszufuhrröhre 54 ₁ die zur Kammer 72 führt, ein Salzlösungszufuhrsammler 38 vorgesehen. Der Sammler 38 kann in ähnlicher Weise wie der Sammler 42 zur Korrosionsbeständigkeit ausgefüttert sein. Die Salzlösungszufuhrröhre 54 ist am Sieb 50 befestigt und steht davon nach außen hervor. Sie geht durch die Anodenrückplatte 30 und ist mittels Kontermutter (n) 59 und geeigneten Schrauben am äußeren .Ende der Röhre 54 an der Anodenrückwand 30 befestigt.

Die Membrane 52 ist entlang Rändern 106, 108 und 110 mitteis einer geeigneten Siegelung, z.B. Heißsiegelung, um eine U-förmige Siegelung 86 vorzusehen, gesiegelt und ist an den Stellen, an denen die Leiter 48, die Röhre 54 und die Röhre 56 durch die Membrane 52 hindurchgehen, durch eine

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Siegel- bzw. Abclichteinrichtung 61 , die nachfolgend beschrieben ist, gesiegelt. Die Abdichteinrichtung 61 und Siegelung 86 dienen zur Schließung der Membrane 52 um das Sieb 50 und die Kammer 72,die innerhalb des Siebs 50 liegt. Die Membrane weist zwei Bereiche 88 und SO auf, die lose und nicht anhaftend an entgegengesetzten Seiten des Siebs 50 liegen und die dazu dienen, das Sieb 50 von benachbarten Kathoden, wie unten beschrieben, zu trennen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 11 wird die Abdichteinrichtung 61 im einzelnen beschrieben. Die Abdichteinrichtung 61 weist eine Innendichtung 66 und eine Außendichtung 67 auf, die an der Innenbzw. Außenseite eines Zentralbereichs 70 der Membrane 52 liegen und die Röhre 56 umgeben, um zwischen der Röhre 56, dem Zentralbereich 70 und der Anodenrückplatte 30 abzudichten. Die Dichtungen 66 und 67 können durch einen ringförmigen Flansch 68 am Rohr 56 während des Festziehens bzw. Abdichten³ des Rohrs 56 gegen die Anodenrückplatte aufgrund des Festziehens einer Kontermutter 60 zusammengepreßt und gehalten werden.

Wie in Fig. 7 und 10 dargestellt, sind die Innendichtung und die Außendichtung 63 zum Abdichten jedes Leiters 48 zwischen den Leitern 48, der Membrane 52 und der Anodenrückplatte 30 vorgesehen. An jedem Leiter 48 kann ein ringförmiger Flansch vorgesehen sein, um die Dichtungen 62 und 63 in Abhängigkeit von Festziehen von Kontermuttern 52 zusammenzupressen. In gleicher Weise kann eine Innendichtung 64 und eine Außendichtung 65 (Fig. 3) an der Innen- und Außenseite der Mem-

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brane 52 an der Stelle, an der die Röhre 54 durch die Membrane 52 hindurchgeht, vorgesehen sein. Um die Dichtungen 64 und 65 als Antwort auf das Festziehen der Kontermutter 59 zusammenzupressen^ kann ein ringförmiger Flansch an der Röhre 54 vorgesehen sein. Auf diese Weise sind die Öffnungen, durch die die Leiter 48, die Röhre 54 und die Röhre 56' durch die Membrane 52 gehen, wenn die Anoden-Separator-Einheit 24 an der Anodenrückplatte 30 befestigt ist und die Kontermuttern 58, 59 und 60 festgezogen sind, zur"Umhüllung" oder "Einkapselung" des Siebs 50 abgedichtet.

Die Rückplatte 30 kann einen Körperbereich 76 mit einer inneren Ausfütterung 74 zur Korrosionsbeständigkeit,wie in den Fig. 2 und 11, auf weisen oder alternativ nicht ausgekleidet sein,wo eine Kationaustauschmembrane als Separator 52 verwendet wird und die Leiter 48 von der Rückplatte 30 durch eine Isolationsfolie (nicht gezeigt) oder eine andere Isolationseinrichtung getrennt sind.

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Fig. 12 ist cine perspektivische Seitenansicht, die eine liehrzahl von Anoden-Separator-Einheiten oder Anodenanordnungen 24 zeigt, die von der Seite der /vnodenrückplatte 3o gehalten werden. Es

bzw. aufgeschnittene Ansicht
ist eine Schnittno^^^cktive/vorgesehen, die etwas der inneren Bereiche einer dieser Anordnungen zeigt. Insbesondere ist ein Zwischenstück 51 zu sehen, das unmittelbar innerhalb der Membrane 52 liegt. Innerhalb des Zwischenstücks 51 bzv/. des Distanzstücks liegt aufgetragen bzv;. beschichtet auf dem Äußeren des Siebs 5o ein wahlweise katalytischer Belag 112,der aus einem beliebigen elektrokatalysatorisch aktiven Werkstoff, wie dem eines "Platingruppen"-Metalls, z.B. einem Element der Gruppe, die
aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin besteht. Das Sieb 5o ist in der Darstellung eine ebene poröse Metallanodenstruktur, die vorzugsweise zwei parallele ebene
Oberflächen hat, wie es am besten in den Fig. 2, 3, 13 und 14 zu sehen ist. Die Einheiten oder Anordnungen 24 sind eben und in einem Abstand parallel angeordnet, um eine Zwischenschachtelung einer Mehrzahl von übereinstimmenden ebenen, parallelen, beabstandeten Kathoden zwischen den Anoden-Separator-Einheiten, wie in Fig. 13 unten dargestellt, zu ermöglichen.

Fig. 13 ist ein horizontaler Querschnitt entlang den Linien
13-13 von Fig. 1, der die parallele Zv/ischenschachtelung von ebenen Kathoden 114 und Anordnungen oder Einheiten 24 zeigt.
Es sind die Rückplatten 3o und 32 zu sehen, die in einem
Abstand in paralleler Beziehung angeordnet sind, mit Einhei-

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ten 24 und Kathoden 114, die daran entsprechend gehalten sind. Die Einheiten 24 sind mittels Kontermuttern 58, die schraubbefestigt an den mit Gewinde versehenen Enden der Leiter 4 8 sind, befestigt. Wie vorher in den Fig. 2 und 3 dargestellt, sind die Einheiten 24 vorzugsweise auch durch Kontermuttern 59 und 60 gehalten. Obwohl Kontermuttern 58, 59 und 60 dargestellt sind, liegt es innerhalb der Breite der Erfindung, eine andere herkömmliche Pestzieheinrichtung zum Zusammenpressen der Abdichteinrichtung 61 vorzusehen.

Der Vorteil von Kontermuttern 58, 59 und 60 ist, daß eine rasche Demontage möglich ist. Es versteht sich auch,daß die Kontermuttern 59 und 6o wahlweise sind und bei Verwendung einer herkömmlichen dynamischen Abdichteinrichtung (nicht gezeigt) an der Stelle, an der die Röhren 54 und 56 durch die Membrane 52 gehen, weggelassen werden können, um ein leichteres Entfernen der Einheiten 24 durch Vermeiden der andererseits erforderlichen Entfernung der Sammler 38 und 42, um an die Muttern 59 und 6o zu kommen, zu ermöglichen. In Fig. 13 ist auch die Verwendung einer nicht ausgekleideten Anodenrückplatte dargestellt, die von der Abdichtung der Perforationen der Membrane 52 mittels Abdichteinrichtung 61 und Isolation der Leiter 4 8 von der Rückplatte 3o herrühren kann. Die Abdichteinrichtung 61 kann zu diesem'Zweck, durch Ersetzen der Dichtung 67 mit einer größeren Dichtung 118 abgeändert sein.

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Herkömmliche Diaphragma-Typ-Zellen können, abgeändert sein, um in gleicher Weise das Konzept der einzeln umschlossenen Anodeneinheiten 24 zu verwenden, und könnten das Konzept in gleicher Weise auf Kathoden wie auf Anoden anwenden. Dies bedeutet, daß die Kathode durch einen synthetischen Separator (nicht gezeigt) in ähnlicher Weise umschlossen werden kann, wie die Umhüllung der Anode der Fig. 1 bis 14. Tatsächlich könnte das abgeschlossene Elektrodenkonzept an beiden, den Anoden und Kathoden, verwendet werden, um, wo es gewünscht ist, eine Drei-Abteilungszelle zu erzeugen. Es würden geeignete Kathodensammler (nicht gezeigt) erforderlich sein, um die einzelnen Kathoden-Separator-Einheiten auf jeden Fall zu verbinden.

Die Einheiten 24 von Fig. 13 weisen auch ein poröses Zwischenstück 51 auf, obwohl dies ein wahlweises Merkmal ist. Die Membran 52 ist dadurch von beiden, der Anode und der Kathode, in einem Abstand angeordnet, um es dem Gas zu ermöglichen, ohne übermäßige Behinderung durch die Membrane 52 aufwärts durch die Zelle Io zu strömen. Dieser Gasfluß kann zusätzlich durch eine "Gassammeieinrichtung" innerhalb der Anodeneinheit 24, z.B. Leitblechen, Sammlern, geneigten oder gebogenen Leiterformen (nicht gezeigt), unterstützt werden, um dazu beizutragen, gasförmige Produkte der Elektrolyse zu sammeln und zur Leitung 56 zu befördern. Am Lnde der Einheit 24 Kann, am nächsten an der Rückplatte 3o, unter Verwendung geeigneter Distanzringe und extra Dichtungen (nicht gezeigt) um die Leiter 48, die Röhre 54

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und die Rohre 56 ein Abstand vorgesehen sein.

Während in den Fig. 13 und 14 massive Kathoden 114 dargestellt sind, können poröse bzw. löchrige Siebkathoden (nicht gezeigt) von ähnlichem Aufbau wie die Siebanoden 57,wenn gewünscht, mit katalytischer Schicht oder überspannungsverringerndem (galvanischem) überzug darauf verwendet werden. Weiterhin können sowohl Anoden als auch Kathoden, oder beide, unter Verwendung einer federnd vorgespannten Einrichtung kontrahierbar gemacht werden, um die zwei ebenen Sieboberflächen 5o oder ähnliche kathodische Sieboberflächen auseinander zu drücken. Der Vorteil derartiger Expandierbarkeit ist, daß die Elektroden während des Zusammenbaus kontrahieren und danach expandieren können. Ein derartiger Mechanismus ist in der deutschen Patentanmeldung P 28 13 8oo.3 beschrieben, deren Offenbarung hiermit ausdrücklich in die Beschreibung der Erfindung integriert wird. In dieser Anmeldung ist ein unterdruckunterstütztes Verfahren zum Zusammenbau beschrieben, das eine flexible, von einem Separator umschlossene Elektrode verwendet, der fähig ist, ein Druckgefälle aufrechtzuerhalten, um Druckkräfte auf die flexible Elektrode zum Kontrahieren während des Zusammenbaus anzuwenden.

In Fig. 13 ist das Sieb 5o mit einer äußeren katalytischen Beschichtung 112 dargestellt, während Fig. 14 das Sieb 5o mit einer inneren katalytischen Beschichtung 116 zeigt. Wo die äußere Beschichtung 112 angewandt wird, werden die Gasprodukte dazu neigen, am äußeren Belag 112 erzeugt zu werden. Deshalb

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ist es wünschenswert, ein poröses Zwischenstück 51 zu haben, um einen Raum für den Aufwärtsgssfluß zur Entnahme aus der Zelle vorzusehen und die Überspannungen auf ein Minimum zurückzuführen. Ein derartiges Zwischenstück kann z.B. ein aus irgendeinem nichtleitenden Material geeignet zusammengesetztes Gitter oder Netz sein.

Bei Verwendung eines Distanzstücks 51 können die elektrokataIysatorisch beschichteten Bereiche der porösen Metall-Zmodenstruktur daran gehindert werden, durch eine Abstandseinrichtung an der Membrane anzuhaften. Direkter Kontakt zwischen der Membrane und elektrolytisch bezogenen Bereichen führt zu einem Verlust der Stromwirksamkeit,und bei Verwendung eines Platingruppenbezugs kann es zu einem erhöhten Betrag im Verlust oder in der Entfernung des Platingruppenbestandteils von der Elektrodenoberfläche führen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 13 ist die Abstandseinrichtung z.B. ein Schirm oder Netz, der (das) geeigneterweise aus irgendeinem nichtleitenden porösen chlorbeständigen Material zusammengesetzt ist. Typische Beispiele hierfür sind Glasfaser, Asbestfasern bzw. -fäden, Kunststoffe, z.B. Polyfluorolefine, Polyvinylchloride, Polypropylene und Polyvinylidenchloride, sowie Materialien, wie Glasfasern, die mit einem Polyfluorolefin, z.B. Polytetrafluoräthylen, überzogen sind.

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Für das gewünschte Maß an Separierung der Anodenfläche vom Diaphragma kann jede geeignete Dicke der 7\bstandseinrichtung verwendet v/erden. Beispielsweise sind Abstandseinrichtungen mit einer Dicke von etwa 0,076 mm bis etwa 3,175 mm geeignet. Vorzugsweise v/erden sie mit einer Dicke von etwa 0,254 mn bis etwa 2,032 mm verwendet. Jede Maschengröße, die eine geeignete Öffnung für die Salzlösungsströmung zwischen 'der Anode und der Membran abgibt, kann eingesetzt v/erden. Die üblichen Maschenweiten der Abstandseinrichtung, die verwendet v/erden können, sind von etwa 0,19 bis etwa 7,87 Stränge pro Zentimeter und vorzugsweise von etwa 1,57 bis ungefähr 4,72 Stränge pro Zentimeter (0,5 bis 20, 4 bis 12 strands per lineal inch) .Die Abstandsainr. richtung kann aus einem gewebten oder nicht gewebten Erzeugnis, insbesondere Textilerzeugnis, hergestellt v/erden und kann geeigneterweise, z.B. durch Schlitzfolierung oder durch Extrudierung,hergestellt werden.

Obwohl nicht erforderlich, kann die Abstandseinrichtung gewünschtenfalls an den Anodenoberflächen, z.B. mit Klemmen, Schnüren, Drähten, Klebemitteln o. dgl., befestigt werden.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Abstandseinrichtung von der porösen Metallanodenstruktur selbst gebildet. V7ie in Pig_k 14·dargestellt, ist diejenige Oberfläche der porösen Metallstruktur, die mit einem elektrokatalysatorischen Stoff überzogen ist, so angeordnet, daß sie von der Membrane 52 weg

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zeigt. Das bedeutet, daß weder ein engerer Bezug 116 noch der Bezug 112 vorgesehen sind. Die Membrane berührt die nicht bezogene Oberfläche der porösen Metallstruktur. Der bezogene Bereich der porösen Metallanode ist von der Membrane durch einen Abstand entfernt, der der Dicke der porösen Metallstruktur entspricht. Dieser Abstand beträgt, wie oben angeführt, etwa 0,76 mm bis etwa 2,54 mm, vorzugsweise etwa 1,27 mm bis etwa 2,03 mm.

Eine Membrane 52 aus einem inerten flexiblen Material, das Kation-Austauscheigenschaften aufweist und das gegenüber der hydrodynamischen Strömung des Elektrolyten und deir Chlorgas— und Chloridionenstrom undurchlässig ist, umgibt die porösen Metallanodenstrukturen und die Abstandseinrichtungen. Ein erstes bevorzugtes Mercbranmaterial ist eine Perfluorsulfonsäureharz-Membrane, die aus einem Mischpolymerisat eines Polyfluorolefine mit einem sulfonierten Perfluorvinylather besteht. Das Äquivalentgewicht des Perfluorsulfonsäureharzes beträgt etwa 900 bis etwa 1600 und vorzugsweise etwa 1100 bis etwa 1500. Das Perfluorsulfonsäureharz kann durch ein Polyfluorolefin-Textilerzeugnis unterstützt werden. Eine zusammengesetzte Membrane, die von E.I. DuPont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen "Nafion" (Kationenaustauscher auf der Basis von perfluorsulfoniertem Polytetrafluorethylen) vertrieben wird, ist ein geeignetes Ausführungsbeispiel für die bevorzugte Membrane.

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Eine zweite bevorzugte Membrane ist eine Kationaustauschraembrane, die eine Carboxylgruppe als Ionenaustauschgruppe verwendet und die eine Ionenaustauschfähigkeit von 0,5 bis 2,0 rai-lquivalent/g trockenes Harz hat. Eine derartige Membrane kann durch chemische Substituierung der Sulfonsäuregruppen durch eine Carboxylgruppe in der oben beschriebenen "Nafion"-Membrane hergestellt werden, wodurch ein Perfluorcarboxylsäureharz, das durch ein Polyfluorolefin-Textilerzeugnis unterstützt ist, erhalten wird- Ein zweites Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Kationaustauschmembrane mit einer Carboxylgruppe als ihrer Ionenaustauschgruppe ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 1976-126398 (patent publication) beschrieben. Dieses Verfahren zeigt die direkte Mischpolymerisation von fluorierten Olefinmonomeren und Monomeren, die eine Carboxylgruppe oder andere polymerisierbar Gruppen, die in Carboxylgruppen umgewandelt werden können, enthalten.

In der membranumschlossenen Anode der erfindungsgemäßen Zelle ist die Membrane in Röhren- oder Folienform enthalten und entlang den geeigneten Rändern 106, 108 und 110 zur Bildung einer geschlossenen Schutzhülle oder "Umhüllung" gesiegelt, z.B. durch Hitzesiegelung. Diese Umhüllung definiert eine Mehrzahl von AnοIytkammerη 72 darin. Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, sind die Anoden und Kathoden vom Fingertyp, der .in handelsüblichen diaphragmatyp-elektrolytischen Zellen bekannt ist. Ein bevorzugter Zelltyp ist der, in den die fingerartigen Elektro-

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den an vertikal angeordneten Elektrodenplatten befestigt sind, wie er in der US-PS 3,898,149 beschrieben ist, der mit Sairnvlern 38 und 42 abgeändert ist.

In der rercbranumschlossenen Anode einer erfindungsgenäßen Zelle beträgt der Abstand zwischen der porösen Metallanodenoberfläche und der Membrane vorzugsweise etwa 0,076 run bis etwa 3,175 mm. Mit 7ibstand von den membran ummantelten Zvnoden sind die Kathoden so angeordnet (Fig. 13), daß eine Kathode zwischen zwei benachbarten Anoden eingeschachtelt ist. Die Kathoden sind löchrig bzw. poröse Metallgebilde aus Metallen, wie Stahl, Nickel oder Kupfer, Die Gebilde sind vorzugsweise so hergestellt, daß das Entweichen von Wasserstoffgas aus der Katholytflüssigkeit erleichtert ist. Die Kathoden haben vorzugsweise eine offene Fläche bzw. einen Porenanteil von mindestens 10 %, vorzugsweise eine offene Fläche von etwa 30 % bis ungefähr 70 %, und höchstvorzugsweise eine offene Fläche von etwa 45 % bis etwa 65 %.

Wie in Fig. 13 dargestellt, ist der Abstand zwischen den Kathoden 114 und der Membran 52 vorzugsweise größer als der Abstand zwischen den Anodenoberflächen und der Membrane. Ferner ist dieser Kathoden-Membranabstand frei von hindernden Materialien, wie Distanzhalter o. dgl., um ein maximales Entweichen von Wasserstoffgas vorzusehen. Die Kathoden sind von den Membranen

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in einem Abstand von etwa 1,02 mm bis etwa 19>O5 rrai, und vorzugsweise in einem Abstand von etwa 1,52 mm bis etwa 12,70 min, angeordnet, überraschenderweise führt bei der Herstellung von Alkalimetallhydroxidlösungen, die wenigstens etwa 30 Gew.% Alkalimetallhydroxide enthalten, eine Vergrößerung des Kathoden-Membranabstandes zu einer Verringerung der Zellspannung. Die Kathoden sind an einer Kathodenplatte befestigt, die so angeordnet ist, daß die Kathoden, wie in Fig. 13 gezeigt, zwischen die membranummantelten Anodenabteilungen einge-

in diese
schachtelt sind bzw./hineinragen. Die Kathodenabteilung ist der gesamte Bereich des Zellkörpers, der nicht von den membranummantelten Anoden eingenommen ist und der einen volumenmäßigen Bereich zur Freisetzung von Wasserstoffgas vom Alkalimetallhydroxid darstellt.

Die in der erfindungsgemäßen Membranzelle verwendeten Kathodengebilde können elektrokatalysatorisch aktive Beläge aufweisen, die den an den Anoden verwendeten ähnlich sind. Sie können auch mit Metallen, z.B. Nickel oder Molybdän oder Legierungen davon, überzogen sein.

Die Fig. 4 bis 10 zeigen das Herstellungsverfahren zum Zusammenbau der Anoden-Separator-Anordnung oder Einheit 24 der Fig. 1 bis 3 und 11 bis 14. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird von einer rechteckigen Folie 92 bzw. einem Blatt Separatormaterials, z.B. einer Kationaustauschmembrane aus Per-

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fluorsulfonsäureharz oder einer anderen heißsiegelbaren durchlässigen Membrane oder einem durchlässigen Diaphragma,ausgegangen. Die Folie 92 kann betrachtet werden, als w^ise sie einen Zentralbereich 70 und zwei Seitenbereiche- 88 und 90 auf. Der zentrale Bereich 70 kann durch Zufügung einer zusätzlichen Schicht 94 aus Separator- oder anderem Material zum zentralen Bereich 70 verstärkt sein, um eine verstärkte Folie "93 herzustellen zur Verstärkung gegen Beschädigung während des Zusammenbaus oder des-Zellbetriebes und zur Anbringung von Löchern 95, 96 und 97 (Fig. 6) als nächstes im zentralen Bereich 70 an vorbestimmten Stellen und mit vorbestimmter Größe, um später Leiter 48 und Röhren 54, 56 dadurch aufzunehmen.

Nach Anbringen der Löcher 9 5, 96 und 97 ist die perforierte Separatorfolie 98 zur Aufnahme eines Anodenkörpers 100 fertig. Der Anodenkörper 100 v/eist ein Sieb 50, Leiter 48, Röhren 54 und 56 und Dichtungen 62, 64 und 66 auf, die um die Leiter 48 bzw. die Röhren 54 und 56 herum angeordnet sind. Vorzugsweise weisen die Leiter 48 und Röhren 54 und 56 ringförmige Flansche (z.B. Flansch 68 in Fig. 11 für die Röhre 56) auf, um die Einwärtsbewegung der Dichtungen 62, 64 und 66 an den Leitern 48 und den Röhren 54 und 56 zu begrenzen und um die Dichtungen 62, 64 und 66 wie vorher beschrieben zusammenzupressen. Nachdem Dichtungen 62, 64 und 66 an Ort und Stelle angeordnet sind, werden Leiter 48 und Röhren 54 und 56 durch öffnungen 95, 96 bzw. 97 der perforierten Separatorfolie eingebaut, um eine

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ausgebreitete bzw. ungefaltete Anordnung 102 zu erzeugen. Die Seitenbereiche 88 und 90 werden c£inach lose gegen entgegengesetzte Seiten des Siebs 50 gefaltet, um eine ungesiegcltc gefaltete Anordnung 104 mit benachbarten Rändern 106, 108 und 110 zu bilden. Die Ränder 106, 108 und 110 werden anschließend durch irgendeine geeignete Vorrichtung, z.B. durch Heißsiegelung, gesiegelt, um das Sieb 50 und die Kammer 7 2 zur Erzeugung einer lose sitzenden Anoden-Separator-Etnheit 24 mit einem U-förmig gesiegelten Rand 86 "einzukapseln". Der Rand 86 begrenzt drei Seiten und der perforierte zentrale Bereich 70 die vierte Seite (Fig. 10).

Danach kann die Einheit 24 durch Zufügung zusätzlicher Dichtungen 63, 65 und 67 an der Außenseite des zentralen Bereichs 70 um den Leiter 48 und die Röhren 54 bzw. 56 Teil der Zelle 10 werden. Bei Verwendung einer vollen Auskleidung an der Rückplatte 30 (Fig. 2) können die Dichtungen 63, 66 und 67 entfallen/ da die Dichtungen 62, 64 und 66 zur Abdichtuna der Löcher 95, 96 und 97 gegen die Auskleidung 74 dienen können.

Im Vergleich mit herkömmlichen handschuhartigen Separatoreinheiten ist auch die Reparatur der Membranen 52 vereinfacht. Die Zelle wird elektrisch abgeschaltet und durch den Auslaß 20 und ΰμϊτσίι das Verbindungsstück 14 entleert. Ein Anhebhaken wird an den Ansätzen 37 befestigt und die Bolzen 36 der Rückplatte 30 entfernt. Danach werden die Rückplatte 30 und die Konter-

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muttern 58, 59 und GO einer einzigen Einheit 24 entfernt und die Leiter 4 8 und die Röhrer: 54 und 56 aus der Rückplatte gezogen. Anschließend wird eine neue Einheit eingebaut und die Kontermuttern 53 _r 59 und GO auf den Leitern 48 und Röhren 54 und 56 nach deren Durchführung durch die Rückplatte 30 festgezogen. Die Zelle wird dann durch VJi cd erb ef es tigung der Rückplatte mit den Bolzen 36 wieder zusammengebaut/ 'wieder aufgefüllt und elektrisch verbunden.

Beispiel 1

Eine Zelle des in Fig. 1 dargestellten Typs ist mit einer Mehrzahl von Titan-Gitteranoden ausgestattet, die Bereiche aufweisen, die mit einem Belag mit Rptheniuir.dioxid als elektroaktivem Bestandteil überzogen sind. Ein offenes Glasfasererzeugnis, das mit Polytetrafluoräthylen überzogen ist und eine Dicke von 0,889 mm hat, ist über der Gitteranode plaziert. Das Anodengitter und das sie umgebende Erzeugnis sind in einer Perfluorsulfonsäureharz-Membrane mit einem Äquivalentgewicht von 1200 eingeschlossen. Zur Bildung einer Mehrzahl einzelner Hüllen, die über die einzelnen Anodengebilde angeordnet sind und mit bzw. gegen die Anodenplattenauskleidung abgedichtet sind, ist die Membrane perforiert und heiß versiegelt, um eine Mehrzahl in sich geschlossener Zuteilungen zu bilden. Stahl-Gitterkathoden mit einer offenen Fläche von etwa 45 % greifen mit den Anoden ineinander. Zur Bildung eines unbehinderten Wasserstoffentweichungsbereichs sind die Kathoden

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mit einem Abstand von etwa 12,7 mm zur Membrane angeordnet. Eine. Natriumchloridsole bzw. -Salzlösung mit einer Konzentration von etwa 300 g NaCl/1 und einer Temperatur von 86°C wird jederAnodenabteilung zugeführt. Der Zelle wird genügend elek-

trische Energie für eine Stromdichte von 2 kA/m zugeführt, um Natriumhydrcxidflüssigkeit in der Kathodenabteilung mit etwa 400 g NaOH/1 bei einer Zellspannung'von 3,5 V zu erzeugen. Die Wasserstofffreisetzung aus der NaOH-Flüssigkeit sowie die Freisetzung von Chlorgas aus der NaCl-Salzlösung in den membranummantelten Anoden sind ausgezeichnet.

Beispiel2

Ein Zelltyp entsprechend dem Beispiel 1 wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, betrieben, mit Ausnahme, daß eine Perfluorcarboxylsäureharz-Membrane mit einem Kquivalentgewicht von' 1200 die Gitteranode und das umgebende Erzeugnis anstelle der Perfluorsulfonsäureharz-Membrane des Ausführungsbeispiels 1 umschließt. Die Wasserstofffreisetzung aus der NaOH-Flüssigkeit sowie die Freisetzung von Chlorgas aus der NaCl-SaIzlösung in den membranumschlossenen Anoden ist ausgezeichnet.

Beispiel 3

Ein Zelltyp des Ausführungsbeispiels 1 wird mit/bei den Parametern des Ausführungsbeispiels 1 betrieben,mit der Ausnahme,daß eine Kaliumchloridsalzlösung mit einer Konzentration von 400 g Kaliumchlorid pro Liter Salzlösung in jede der Anodenabteilun-

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gen anstelle der Natriumchloridsalzlosung dec Baispiels 1 zugeführt wird, und eine Kaliumhydroxidflüssigkeit in der Kathodenabteilung mit 500 g KOH/1 Flüssigkeit anstelle der NaOH-Flüssigkeit des Beispiels 1 erzeugt wird. Die Wasserstofffreisetzung von der KOII-Flüssigkeit und die Chlorgasfreisetzung von der KCl~Salzlösung sind beide ausgezeichnet.

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Claims (24)

283 Ansprüche

1. Kombinierte Elektrodcn-Separator-Einheit zur Verwendung in einer elektrolytischen Zelle, die ein Gehäuse, einen Elektrolyten und vielfache ebene zwischengeschachtelte Elektroden aufweist,

gekennzeichnet durch

eine ebene poröse Elektrodeneinrichtung (50) zum elektrischen Kontakt mit dem Elektrolyten;
eine Trenneinrichtung (52), die entlang benachbarter Ränder (86; 86a, 86b, 86c; 106, 103, 110) verschlossen ist und die die Elektrodeneinrichtung (50) einzeln lose umschließt und mindestens ein Loch (95, 96, 97) dadurch zur Abgrenzung einer elektrodeenthaltenden Kammer und zur Trennung der elektrodeenhaltenden Kammer von einem Bereich des Elektrolyten aufweist, wobei mindestens Kationen durch die Trenneinrichtung

(52) hindurchgehen können;

eine elektrische Leitereinrichtung (48), die abgedichtet durch die Löcher (95) hindurchgeht und die zur Stromleitung zwischen einer externen Energiequelle und der Elektrodeneinrichtung (50) in Kontakt mit der umschlossenen Elektrodeneinrichtung (50) steht;

eine Verbindungseinrichtung (30, 48, 58) zur abstützenden Befestigung der Einheit am Innern des Gehäuses (12); eine Einlaßleitungseinrichtung (14, 33, 40, 54), die abdichtend durch eines der Löcher (95, 96, 97) der Trenneinrichtung (52) geht, um den Elektrolyten von außerhalb des Gehäuses (12) in

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die abgegrenzte Kaminer einzubringen;

und eine Auslaßleitungseinrichtung (18, 42, 44, 56), die abdichtend durch eines der Löcher (95, 96, 97) der Trenneinrichtung (52) hindurchgeht, um Fluide von der abgegrenzten Kammer nach außerhalb des Gehäuses (12) zu entnehmen.

2. Einheit nach Tvnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (52) eine Folie aus Separatormaterial aufweist, die so gefaltet ist, um ein Paar beabstandeter paralleler ebener Trennplatten zu bilden, die an einem benachbarten Rand durch einen U-förmigen zentralen Bereich (70) verbunden sind;

daß die Löcher (95, 96, 97) in dem zentralen Bereich (70) der Folie des Separatormaterials liegen; und daß die drei restlichen benachbarten Ränder (3 6a, 86b, 36c; 106, 108, 110) der Trennplatten zusammengesiegelt sind, um eine umschlossene Kammer innerhalb der Trenneinrichtung (52) zu bilden.

3, Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Trenneinrichtung (52) mindestens drei Löcher (95, 96, 97) durch den zentralen Bereich (70) aufweist; daß die Leitereinrichtung (48) mindestens durch eines der Löcher (95, 96, 97) hindurchgeht; und daß die Einlaßleitungseinrichtung (14, 33, 40, 54) und die Auslaßleitungseinrichtung (13, 42, 44, 56) jeweils abdichtend durch ein einzelnes der mindestens drei Löcher (95, 96, 97) in die abgegrenzte Elektrolytkammer (72) hindurchgehen.

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4. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (52) unmittelbar um jedes der Löcher (95, 96, 97), wenigstens um eines, mit zusätzlichen Schichten (94) inerten Werkstoffs verstärkt ist.

5, Elektrolytische Zelle mit der Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit '

einem Zellgehäuse zur Begrenzung einer einen Elektrolyten enthaltenden Kammer;

einer Mehrzahl erster elektrischer Leiter, die durch das Gehäuse geführt, abstützend daran befestigt sind und eine äußere Oberfläche aufweisen;

einer Mehrzahl erster ebener paralleler Elektroden mit einer vorgegebenen Polarität, die innerhalb der Gehäusekammer angeordnet sind und die in elektrischem Flächenkontakt mit dem Elektrolyten und in elektrischem Kontakt mit mindestens einem der Leiter stehen;

einer Mehrzahl von zweiten elektrischen Leitern, die durch das Gehäuse geführt, daran abstützend befestigt sind und die von der ersten Mehrzahl elektrischer Leiter beabstandet sind; und

einer Mehrzahl zweiter ebener paralleler Elektroden entgegengesetzter Polarität zu der ersten Elektrodeneinrichtung, die innerhalb der Gehäusekammer angeordnet, abwechselnd in beabstandeter paralleler Beziehung zu den ersten Elektroden zwischengeschachtelt sind und die in elektrischem Flächenkontakt mit dem Elektrolyten und in elektrischem Kontakt mit mindestens einem"der zweiten Leiter stehen,

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gekennzeichnet durch

eine Mehrzahl erster Trenncinrichtungen (52), die jede der ersten Elektroden (50) einzeln einkapseln,um eine Mehrzahl von Elektroden-Kcparator-Kombinationscinheiten (24) zu bilden und die Kammer in eine Mehrzahl unabhängiger umschlossener erster Kammarn, von denen jede eine der ersten Elektroden (50) enthält, und eine einzelne gemeinsame zweite Kammer innerhalb des Zellgehüuses (12) zu teilen, die alle zweiten Elektroden ( 114) enthält,

wobei die Trenneinrichtungen (52) wenigstens ionendurchlässig sind und jede der Trenneinrichtungen (52) Bereiche aufweist, die mindestens ein erstes Loch (95) zur Durchführung mindestens eines der ersten Leiter (48) durch die Trenneinrichtung (52) zu der ersten Elektrodeneinrichtung (50), mindestens ein zweites Loch (9 7) zur Durchführung von Versorgungsfluid in die einzelne Kammer und mindestens ein drittes Loch (96) zur Durchführung von Erzeugnisfluid aus der einzelnen Kammer; und

eine Abdichteinrichtung (62, 63, 64, 65, 66, 67.) zur Verhinderung von Fluidkommunikation durch die Löcher (9 5, 96, 97) zwischen den einzelnen Kammern und der gemeinsamen Kammer, wobei der Durchgang der ersten Leiter (48), des Versorgungsfluids und des Erzeugnisfluids hierdurch möglich ist.

6 ο Zelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl zweiter Trenneinrichtungen (50), die einzeln jede der zweiten Elektroden einkapseln (114), um die gemeinsame Kammer in eine Mehrzahl einzelner Zonen zu unterteilen, die die

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zweiten Elektroden (114) unmittelbar umgeben und innerhalb dieser sind und eine einzelne gemeinsame Zone zwischen der ersten und zweiten Trenneinrichtung.

7. Zelle nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Elektroden (50) zwei ebene parallele poröse leitende Oberflächen aufweist, die zur Durchführung von Fluiden dazwischen in einem Abstand angeordnet sind*

8. Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungseinrichtung folgendes aufweist; eine Erzeugnisfluid-Auslaßleitung ;(18), die sich zur Durchführung durch eines der dritten Löcher (96) eignet; eine Versorgungsfluid-Einlaßleitung (14), die sich zur Durchführung durch eines der zweiten Löcher (97) eignet; eine erste Lochabdichtung (62, 63) zur Verhinderung von Fluiddurchgang durch das erste Loch (95) nach außen zu einem der ersten Leiter (48);

eine zweite Lochabdichtung (64, 65) zur Verhinderung von Fluiddurchgang durch das zweite Loch (9 7) nach außen zur Versorgungsfluid-Einlaßleitung (14) und

eine dritte Lochabdichtung (66, 67) zur Verhinderung von Fluiddurchgang durch das dritte Loch (96) nach außen zur Erzeugnisfluid-Auslaßleitung (18).

9. Zelle nach Anspruch 5, dadurch"gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden (48; 50) Anoden sind, daß die einzelnen

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Kammern (72) anolytrnthaltende Kammern sind und daß das Zellgehäuse (12) eine nichtausgekleidete innere Oberfläche aufweist.

10. Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Einlaßröhren (5Ί). von denen jede durch eines dsr zweiten Löcher (97) einer zugeordneten Trenneinrichtung (52) der Mehrzahl erster Trenneinrichtungeh (53 2) geht; eine Zufuhrsammeieinrichtung (38) zur Fluidverbindung jeder Einlaßröhre (54) mit einer Quelle des Versorgungsfluids; eine Mehrzahl Auslaßröhren (56), von denen jede durch eine der dritten Löcher (96) einer zugehörigen Trenneinrichtung (52) aus der Mehrzahl der ersten Trenneinrichtungen (52) geht_yund eine Auslaßsammlereinrichtung (42) zur Fluidverbindung jeder Auslaßröhre (56) mit einer Auslaßleitung (18).

11. Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichteinrichtung eine Mehrzahl ringförmiger Abdichtungen (62, 63, 64, 65, 66, 67) aufweist, die abdichtend um jede(n) der Leiter (43) und der Röhren (54, 56)

die
angebracht sind und/die löcher (95, 96, 97) begrenzenden Bereiche dichtend überlappen und an ihnen anliegen; daß das Zellgehäuse (12) eine erste Rückplatte (30) zur Halterung der Leiter (48), der Sammler (38, 42) und der Röhren und zur Abstützung der ersten Elektroden (50) aufweist; daß die Zelle (10) Verbindungseinrichtungen zur Befestigung jedes Leiters (48) und jeder Röhre (54, 56) mit der Rückplatte (30) aufweist und daß die Abdichteinrichtungen ansprechend auf das Festspannen der Verbindungseinrichtungen verschließend

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gegen den die Löcher (95, 96, 97) abgrenzenden Bereich gedrückt werden, - .

12. Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gskennzeichnet, daß die Abdichteinrichtung folgendes aufweist: eine geflanschte Leitung (56), die durch die Trenneinrichtung (52) und eine der Durchführungen (96) geht, wobei der Flansch (68) innerhalb des Zellgehäuses (12) angeordnet ist; eine erste Dichtungseinrichtung (67) um die geflanschte Leitung (56) zwischen dem Zellgehäuse (12) und der Trenneinrichtung (52), um den Fluiddurchgang durch eine der Durchführungen (96) nach außerhalb der geflanschten Leitung (56) zu verhindern;

eine zweite Abdichteinrichtung (66) um die geflanschte Leitung (56) zwischen dem Flansch (68) und der Trenneinrichtung (52)_y ' um den Fluiddurchgang durch die Trenneinrichtung zwischen der Trenneinrichtung und der geflanschten Leitung (56) zu verhindern
und

eine Festspanneinrichtung (60), die verstellbar an der geflanschten Leitung (56) außerhalb des Zellgehäuses (12) zum Zusammenpressen der Abdichtungen (66, 67) zwischen dem Gehäuse (12) und dem Flansch (68) befestigt ist, um die Verhinderungsfunktion der Abdichtungen zu verstärken und die geflanschte Leitung (56) starr am Zellgehäuse (12) zu befestigen.

13. Zelle nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch

einen am Elektrodenständer (30, 32) befestigten und im ZeIl-

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gehäuse (12) angeordneten Flansch (34, 35); eine erste Abdichtungseinrichtung (31) um den Elektrodeuständer (30) herum, zwischen dem Zellgehäuse (12) und der Trenneinrichtung (52), zur Verhinderung des Fluiddurchgangs durch das Zellgehäuse?

eine zweite Abdichtungseinrichtung (33) um den Elektrodenständer (32) herum, zwischen dem Flansch (35) und der Trenneinrichtung (52) zur Verhinderung von Fluiddurchgang durch die Trenneinrichtung; und

eine einstellbare am Elektrodenständer (30, 32) des Zellgehäuses (12) befestigte Festspanneinrichtung (36) zum Zusammenpressen der ersten und zweiten Abdichtung zwischen dem Flansch (34, 35) und dem Zellgehäuse, um die Verhinderungsfunktion der Abdichtungen zu verstärken und den Elektrodenständer (30, 32) starr am Zellgehäuse (12) zu befestigen.

14. Verfahren zur Montage der kombinierten Elektroden-Separator-Einheit nach Anspruch 1 für eine elektrolytische Zelle"mit einem Gehäuse und zwischengeschachtelten parallelen ebenen Kathoden und Anoden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode mit einer Schicht Separatormaterials umhüllt wird, um eine erste Elektrolytkammer innerhalb der die Elektrode enthaltenden Schicht zu erzeugen und daß Durchführungen für einen elektrischen Leiter, eine Versorgungsfluidleitung und eine Erzeugnisfluidleitung durch das Gehäuse und die Schicht in die erzeugte erste Elektrolytkammer vorgesehen werden.

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15. Verfahren nach Anspruch 14 zur Montage einer kombinierten Elektroden-Separator-Einheit mit Leiterständern, Fluideinlaß- und Fluidauslaßleitungen für eine elektrolytische Zelle mit einem Gehäuse, durch das die Ständer und Leitungen abdichtend durchgehen können, dadurch gekennzeichnet, daß eine Separatorfolie auf eine ausreichende Größe zur Ummantelung einerElektrode mit der Möglichkeit zum Siegeln der Ränder der Folie zugeschnitten v/ird;

daß die Separatorfolie an vorbestimmten Stellen perforiert v/ird; daß die Leiterständer und Fluideinlaß- und Fluidauslaßleitungen durch mindestens eine der Perforationen in der Folie eingesetzt werden;

daß die Folie über die Elektrode gefaltet v/ird, um zwei Platten zu bilden, die entlang eines den Leiterständern und Leitungen benachbarten Randes verbunden·sind und entlang dreier restlicher Ränder getrennt sind, wobei die Platten auf entgegengesetzten Seiten der Elektrode liegen; und

daß die Platten entlang den drei restlichen Rändern jeder Platte zusammengesiegelt werden, um eine geschlossene Separatorumhüllung mit der Elektrode im Innern zu bilden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Siegelung durch Erwärmung der drei Ränder jeder der zwei Platten durchgeführt v/ird, wobei die Ränder zusammengepreßt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeschnittene Separatorfolie mit zusätzlichen Lagen der Folie an den vorbestimmten Stellen verstärkt wird.

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18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeschnittene Separatorfolie mit Schichten eines inerten Werkstoffs an dun vorbestimmten Stellen so verstärkt wird, um die Bereiche der Folie, die unmittelbar die Perforationen umgeben, zu verstärken.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus einem kationendurchlässigen Meinbranmaterial besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß axe Folie aus einem porösen Diaphragmamaterial besteht.

21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Separator-Einheit mit Einrichtungen zum Sammeln und Leiten des Gasflusses in der Separatoreinheit zur Auslaßleitung versehen wird.

22. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit Einrichtungen zur Breitenänderung während eines späteren Zellzusammenbaus versehen.wird.

23. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein inertes Abstandsstück zwischen der Elektrode und dem Separator vor dem Zusammensiegeln der Platten angebracht wird.

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24. Vorfahren mit einer Einheit nach Anspruch 1 zur Reparatur einer fehlerhaften losen eingebauten Diaphragma- orjer Membran-Separatoreinrichtung einer Diaphragma-F.lektrolytzolle mit ebenen zwischengeschachtelten Elektroden, bei der alle Kathoden von allen Anoden durch das lose angebrachte Diaphragma oder die Membrane getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode, die einzeln von einem fehlerhaften Bereich des Diaphragmas oder der Membran umschlossen ist, von der Zelle entfernt wird, während alle anderen Elektroden und

fehlerlosen Bereiche des Diaphragmas oder der Membrane unversehrt bleiben und

sie

daß die Elektrode und der'umgebende fehlerhafte Bereich als eine Einheit durch einen entsprechenden fehlerlosen Bereich und eine umschlossene Elektrode als eine Einheit ersetzt werden.

25, Separator zur Verwendung in einer elektrolytischen Zelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

ein Paar paralleler ebener Folien (52) des Separatormaterials, die auf entgegengesetzten Seiten einer einzelnen der Elektroden (50) liegen, wobei die Folien (52) entlang benachbarter erster Ränder durch einen U-förmigen Bereich des Separatormaterials und entlang dreier anderer restlicher benachbarter Ränder (106, 108, 110) durch heißgesiegelte Bereiche verbunden sind und der Unförmige Bereich ein Loch (95, 96, 97) an jeder von mindestens drei getrennten vorbestimmten Stellen aufweist, von denen jedes Loch (95, 96, 97) zur Aufnahme eines der Röhren (54, 56) und Leiter (48) angepaßt ist.

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